Melatonin enhances the low-calcium stress tolerance by regulating brassinosteroids and auxin signals in wax gourd

Resumo

Nas plantas, o cálcio (Ca) atua como um nutriente essencial e molécula sinalizadora. A melatonina é um hormônio biologicamente ativo e multifuncional que desempenha um papel importante na melhoria da eficiência do uso de nutrientes. No entanto, seu envolvimento nas respostas das plantas à deficiência de Ca permanece amplamente inexplorado. Este estudo teve como objetivo avaliar os efeitos da melatonina na absorção de Ca, no sistema antioxidante e na morfologia radicular sob condições de estresse por baixo teor de Ca (LCa), bem como identificar os principais fatores reguladores e vias de sinalização envolvidas nesses processos, usando análise de transcriptoma. Sob condições de LCa, as plântulas de cabaça exibiram diminuições significativas no acúmulo de Ca, inibição do crescimento radicular e ocorrência de danos oxidativos. No entanto, a aplicação de melatonina aumentou significativamente o teor de Ca nas plântulas de cabaça e melhorou a absorção de Ca²⁺ nas raízes por meio da regulação positiva de genes de canais e transportadores de Ca²⁺, incluindo BhiCNGC17, BhiCNGC20, BhiECA1, BhiACA1 e BhiCAX1. Além disso, a aplicação de melatonina exógena mitigou a inibição do crescimento radicular e os danos oxidativos causados pelo estresse LCa. Isso foi evidenciado por aumentos no número de ramificações radiculares, pontas radiculares, área de superfície radicular e volume radicular, bem como maior vitalidade radicular e atividades de enzimas antioxidantes, além de diminuições no conteúdo de espécies reativas de oxigênio em plantas tratadas com melatonina. Os resultados do transcriptoma revelaram que a melatonina modulou principalmente as vias de sinalização de brassinosteroides (BRs) e auxina, que desempenham papéis essenciais na diferenciação, alongamento e adaptação ao estresse radicular. Especificamente, a melatonina aumentou os níveis ativos de BRs por meio da regulação positiva de BR6ox (um gene de biossíntese de BR) e da regulação negativa de BAS1 (genes de degradação de BR), afetando assim a via de sinalização de BR. Além disso, a melatonina reduziu os níveis de IAA, mas ativou a via de sinalização de auxina, indicando que a melatonina poderia estimular diretamente a via de sinalização de auxina por meio de um mecanismo independente de IAA. Este estudo fornece novos insights sobre o papel da melatonina na adaptação ao estresse nutricional, oferecendo uma abordagem promissora e sustentável para melhorar a eficiência do uso de nutrientes em cabaça e em outras culturas.

Abstract

In plants, calcium (Ca) serves as an essential nutrient and signaling molecule. Melatonin is a biologically active and multi-functional hormone that plays an important role in improving nutrient use efficiency. However, its involvement in plant responses to Ca deficiency remains largely unexplored. This study aimed to assess the effects of melatonin on Ca absorption, the antioxidant system, and root morphology under low-Ca (LCa) stress conditions, as well as to identify key regulatory factors and signaling pathways involved in these processes using transcriptome analysis. Under LCa conditions, wax gourd seedling exhibited significant decreases in Ca accumulation, showed inhibition of root growth, and demonstrated the occurrence of oxidative damage. However, melatonin application significantly enhanced Ca content in wax gourd seedlings, and it enhanced the absorption of Ca2+ in roots by upregulating Ca2+ channels and transport genes, including BhiCNGC17, BhiCNGC20, BhiECA1, BhiACA1, and BhiCAX1. Furthermore, the application of exogenous melatonin mitigated the root growth inhibition and oxidative damage caused by LCa stress. This was evidenced by increases in the root branch numbers, root tips, root surface area, and root volume, as well as enhanced root vitality and antioxidant enzyme activities, as well as decreases in the reactive oxygen species content in melatonin treated plants. Transcriptome results revealed that melatonin mainly modulated the brassinosteroids (BRs) and auxin signaling pathway, which play essential roles in root differentiation, elongation, and stress adaptation. Specifically, melatonin increased the active BR levels by upregulating BR6ox (a BR biosynthesis gene) and downregulating BAS1 (BR degradation genes), thereby affecting the BR signaling pathway. Additionally, melatonin reduced IAA levels but activated the auxin signaling pathway, indicating that melatonin could directly stimulate the auxin signaling pathway via an IAA-independent mechanism. This study provides new insights into the role of melatonin in nutrient stress adaptation, offering a promising and sustainable approach to improve nutrient use efficiency in wax gourd and other crops.